动力气象学课件绪论
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《动力气象学》课程辅导资料
《动力气象学》课程辅导资料知识点归纳总结第一章绪论1. 研究地球大气运动时的基本假设连续介质假设：研究大气的宏观运动时，不考虑离散分子的结构，把大气视为连续流体。
从而，表征大气运动状态和热力状态的各种物理量，例如大气运动的速度、气压、密度和温度等可认为是空间和时间的连续函数，并且经常假设这些场变量的各阶微商也是空间和事件的连续函数。
是研究大气运动的基本出发点。
理想气体假设：气压、密度、温度之间的关系满足理想气体状态方程。
2. 地球大气的运动学和热力学特性有哪些？大气是重力场中的旋转流体：大气运动一定是准水平的；静力平衡是大气运动的重要性质之一。
科里奥利力的作用：大尺度运动中科里奥利力作用很重要；中纬度大尺度运动中，科里奥利力与水平气压梯度力基本上相平衡——地转平衡；地球旋转角速度随纬度的变化，与每日天气图上的西风带中的波动有关；起稳定性作用——位能、动能的转换——锋面。
大气是层结流体：大气的密度随高度是改变的——层结稳定度；不稳定层结大气中积云对流；稳定层结大气中重力内波。
大气中含有水份：相变潜热——低纬度扰动和台风的发展。
大气的下边界是不均匀的：湍流性；海陆分布和大气环流。
3. 大气运动的多尺度性大气运动无论在时间尺度还是在水平尺度上都具有很宽的尺度谱，不同尺度系统在性质上有很大差异，对天气的影响也不同，不同尺度运动系统之间还存在相互作用。
而根据流体力学和热力学原理建立起来的大气运动方程组，表征了大气运动普遍规律，从物理上讲，它几乎描述了各种尺度运动和它们之间的相互作用，方程组是高度非线性的，难以求解。
因此，在动力气象中，常对各种运动系统进行尺度分类，利用尺度分析法分析各类运动系统的一般性质，建立各类运动系统的物理模型（第三章）。
第二章描写大气运动的基本方程组1. 作用于大气的力，哪些是真实力，哪些是视示力？真实力：气压梯度力、地球引力、摩擦力，既改变气流的运动方向，也改变速度的大小视示力：科里奥利力、惯性离心力，只改变气流的运动方向，不改变速度的大小2. 描述大气运动的基本方程组和各自遵守的物理原理牛顿第二定律——运动方程质量守恒定律——连续方程理想气体实验定律——状态方程能量守恒定律——热力学能量方程水气质量守恒——水汽质量守恒方程3. 分析流体运动的两种基本方法拉格朗日方法：着眼于微团，研究其空间位置及其他物理属性随时间变化的规律，推广到整个流体运动。
第八章大气波动的稳定性问题 动力气象学课件(共66张PPT)
dd2y2 (uddc2yu2 k2)0
(y1) (y2) 0通道Rossb波y 的情况
这是齐次方程，会有零解； 求取非零解的条件——本征值问题。 假设系数为常系数，那么可求本征值； 但是现在为变系数的，这样的本征值问题在 数学(shùxué)上是不可解的
第三十五页，共66页。
而我们现在不要求解，只要(zhǐyào)知道 Ci是否等于0的条件
T(z0)z
第十六页，共66页。
ddw tT g(d )z
N2
T g(d
)gln
z
dwN2z
dt
N2 0，力作负功，扰 ，动 层减 结弱 是稳定的 N2 0，力不作功，层 性结 的是 ；中 N2 0，力作正功，扰 能动 量得 而到 增强，层 定
第十七页，共66页。
§4 惯性(guànxìng)稳定度 科氏力作用(zuòyòng)下，惯性振荡的稳定性问题
雷利：1920’s，层流不稳定(wěndìng)问题； 郭晓岚：1949，提出正压不稳定(wěndìng)理论
雷利解：令：
cC r iC i, r i i
第三十六页，共66页。
那md e么d 2 ) ：2 (r nu y à1 ic d d 2 2 u iy [ C 1 r( id d 2 C u i2) yu ( r u i C r i) c 2 ik 2 C i] ( rr i ii)i 0
Ci 0
波动不开展(kāizhǎn)，波动稳定
Ci 0
第十一页，共66页。
重力内波、惯性波：受力机制很清楚；一 般直接(zhíjiē)从振荡看是否稳定，由此，
可以得到：静力稳定度、惯性稳定度。
而Rossby波的产生机制(jīzhì)是β－效应， 从涡旋场〔涡度方程(fāngchéng)〕讨论 Rossby波，而没有具体讨论其振荡受力 情况； 一般从Ci是否等于0判别其稳定性。
动力气象学第1章.ppt
2006 24、贺海晏，简茂秋，乔云亭，动力气象学，气
象出版社，2010 25、刘式适，刘式达，大气动力学（第二版），
北京大学出版社，2011
§1.1 基本假设 连续流体介质假设——质点力学的应用。 大气运动的速度、气压、密度和温度等物理量以及这 些场变量都是时间和空间的连续函数； 理想气体（无凝结）； 动力过程和热力过程相互作用； 大气为可压缩连续流体
大气的“低频变化”；大气环流的遥相关。
球面大气中罗斯贝波的经向频散并建立了大圆定理 (霍斯金斯等，1981年)；罗斯贝波铅直传播(恰尼等， 1961年)；提出了E-P通量概念；研究了大气对外源 强迫的响应，分析了低频变化的各种可能的起因等 等，从而促进行星波理论的新发展，为月、季度和 短期气候预报提供了理论基础。
15、Gill，大气-海洋动力学，海洋出版社，1988 16、叶笃正，李崇银，王必魁，动力气象学，科 学出版社，1988。 17、吕美仲，彭永清，动力气象学教程，气象出 版社，1990 18、巢纪平，厄尔尼诺和南方涛动动力学，气象 出版社，1993 19、余志豪，杨大升等，地球物理流体动力学， 气象出版社，1996
§1.2 地球大气的运动学和热力学特性
大气是重力场中的旋转流体。
大气运动一定是准水平的；静力平衡是大气运动的重 要性质之一；科里奥利力的作用。
大尺度运动中科里奥利力作用很重要。中纬度大尺度 运动中，科里奥利力与水平气压梯度力基本上相平 衡——地转平衡。
地球旋转角速度随纬度的变化，与每日天气图上的西 风带中的波动有关。
§1.4 动力气象学的发展简史与发展动向
18世纪，力学、物理学、化学和数学等基础科学的发 展，观测仪器地陆续发明，气象科学由纯定性的描述 进入了可定量分析的阶段，这是气象科学发展过程中 的一次飞跃。
象出版社，2010 25、刘式适，刘式达，大气动力学（第二版），
北京大学出版社，2011
§1.1 基本假设 连续流体介质假设——质点力学的应用。 大气运动的速度、气压、密度和温度等物理量以及这 些场变量都是时间和空间的连续函数； 理想气体（无凝结）； 动力过程和热力过程相互作用； 大气为可压缩连续流体
大气的“低频变化”；大气环流的遥相关。
球面大气中罗斯贝波的经向频散并建立了大圆定理 (霍斯金斯等，1981年)；罗斯贝波铅直传播(恰尼等， 1961年)；提出了E-P通量概念；研究了大气对外源 强迫的响应，分析了低频变化的各种可能的起因等 等，从而促进行星波理论的新发展，为月、季度和 短期气候预报提供了理论基础。
15、Gill，大气-海洋动力学，海洋出版社，1988 16、叶笃正，李崇银，王必魁，动力气象学，科 学出版社，1988。 17、吕美仲，彭永清，动力气象学教程，气象出 版社，1990 18、巢纪平，厄尔尼诺和南方涛动动力学，气象 出版社，1993 19、余志豪，杨大升等，地球物理流体动力学， 气象出版社，1996
§1.2 地球大气的运动学和热力学特性
大气是重力场中的旋转流体。
大气运动一定是准水平的；静力平衡是大气运动的重 要性质之一；科里奥利力的作用。
大尺度运动中科里奥利力作用很重要。中纬度大尺度 运动中，科里奥利力与水平气压梯度力基本上相平 衡——地转平衡。
地球旋转角速度随纬度的变化，与每日天气图上的西 风带中的波动有关。
§1.4 动力气象学的发展简史与发展动向
18世纪，力学、物理学、化学和数学等基础科学的发 展，观测仪器地陆续发明，气象科学由纯定性的描述 进入了可定量分析的阶段，这是气象科学发展过程中 的一次飞跃。
动力气象学
参 考 书 目： 1 、叶笃正，李崇银，大气运动中的适应问题， 科学出版社，1965 2 、 Lorenz ，大气环流的性质和理论，科学出版 社，1976。 3 、 Haltiner, G, Numerical Prediction and Dynamical Meteorology, 1980(有中译本) 4、小仓义光，大气动力学原理，科学出版社， 1980 5 、 Holton ， 动 力 气 象 学 引 论 ， 科 学 出 版 社 ， 1980 6、郭晓岚，大气动力学，江苏科技出版社， 1981
大 气 科 学 学 院 王 文
动 力 气 象 学
教材： 吕美仲等，动力象学，南京大学出版社，1996 2.HOLTON J. R. AN INTRODUCTION TO DYNAMIC METEOROLOGY, Academic Press, Fourth Version, 2004 3.刘式适等，大气动力学（第二版），北京大学出 版社，2011
参 考 书 目： 7、Pedlosky，地球物理流体动力学导论，海洋出 版社，1981 8、伍荣生等，动力气象学，上海科技出版社， 1983。 9、杨大升，刘余滨，刘式适，动力气象学，气 象出版社（修订本），1983 10、栗原宜夫，大气动力学入门，气象出版社， 1984 11、李崇银等，动力气象学概论，气象出版社， 1985 12、Pedlosky, J., Geophysical Fluid Dynamics, Springer-Verlag, 2nd ed, 1987
§1.1 基本假设 连续流体介质假设——质点力学的应用。
大气运动的速度、气压、密度和温度等物理量以及这 些场变量都是时间和空间的连续函数；
理想气体（无凝结）； 动力过程和热力过程相互作用； 大气为可压缩连续流体
动力气象学 PPT课件
( x, t ) A cosk ( x ct)
波动的复数表示形式：
根据欧拉公式： ei cos i sin
( x, t ) Re[ Aei ( kxt ) ]
实际应用时常略去Re:
( x, t ) Aei ( kxt )
得到如下符号关系式：
2 n 2 i , 2 (i ) ,......, n (i ) n t t t 2 n 2 ik , 2 (ik ) ,......, n (ik ) n x x x
2 n i ( kxt ) 2 iAe i, 2 (i ) ,..... n (i ) n t t t 2 n 2 ik , 2 (ik ) ,..... n (ik ) n x x x
( x, y, t ) Aei (kxlyt )
kx ly t
T 2
2 k L
2 L k
2 2 Lx , Ly k l
L c k T
Lx Ly cx , c y k T l T
c cg ck k k
二、傅立叶原理，简谐波的复数表示
实际大气扰动不是单纯的简谐波，可以看成是各种不同频 率、不同振幅的简谐波的叠加
( x, t ) An coskn ( x cnt ) n
n 1
实际扰动虽然是许多谐波组成，但往往只有几个谐波分量是主要的，其 频率、振幅虽然不同，但动力学性质往往一样。因此如果想得到定性的 结果，分析一个典型的谐波分量就足够了
y A cos[k ( x ct) ]
2 / T L c k 2 / L T
动力气象学课件第4章自由大气中的平衡运动
1 正压大气：空气密度的空间分布只是气压的函数 (；P) 2 斜压大气：密度的空间分布与气压、温度有关（即不仅仅
由气压p决定）。
正
斜
压
压
大
大
气
气
二、地转风的垂直变化
1 地转风的垂直切变
1
p坐标系下：
Vg f kp
23
1
对P求偏导数：Vg/pf kp p ，并结合静力方程
RT
p P
V g/pP RfkpT
这时，流线与轨线重合。
例子：以常速度 C向东移动的圆形
系统，移动过程中流线形状保持不变。
8
以速度 C移动的观测者所测得的风向
V=2C
角的个别变化率应为零，即
t tC• h0
可求得风向角的局地变化率为
t C• h CsKco s V=C/2
KT Ks(1VCh cos)
Rs RT(1VCh cos)
0
，即系统中心是低压，如右图。
梯度风：
f f 2 4KT P
n
VG
2KT
13
b）反气旋式流场（轨迹）：KT 0，n指向圆外
因为 fVG 0和 KTVG2 0，故：
P n
0
或
P nLeabharlann 0最终取决于前两项的相对大小。
i)
若
KTVG 2f VG0，则
P n
0
即
系统中心是高压，如右图（大中尺度的情形）。
梯度风大小：
VG
f
f2 4KT
P n
2KT
反常反气旋 |科氏力|<|离心力|
15
2）梯度风与地转风相对大小
地转风：fVg
1
由气压p决定）。
正
斜
压
压
大
大
气
气
二、地转风的垂直变化
1 地转风的垂直切变
1
p坐标系下：
Vg f kp
23
1
对P求偏导数：Vg/pf kp p ，并结合静力方程
RT
p P
V g/pP RfkpT
这时，流线与轨线重合。
例子：以常速度 C向东移动的圆形
系统，移动过程中流线形状保持不变。
8
以速度 C移动的观测者所测得的风向
V=2C
角的个别变化率应为零，即
t tC• h0
可求得风向角的局地变化率为
t C• h CsKco s V=C/2
KT Ks(1VCh cos)
Rs RT(1VCh cos)
0
，即系统中心是低压，如右图。
梯度风：
f f 2 4KT P
n
VG
2KT
13
b）反气旋式流场（轨迹）：KT 0，n指向圆外
因为 fVG 0和 KTVG2 0，故：
P n
0
或
P nLeabharlann 0最终取决于前两项的相对大小。
i)
若
KTVG 2f VG0，则
P n
0
即
系统中心是高压，如右图（大中尺度的情形）。
梯度风大小：
VG
f
f2 4KT
P n
2KT
反常反气旋 |科氏力|<|离心力|
15
2）梯度风与地转风相对大小
地转风：fVg
1
动力气象学概要课件
数值模式是大规模数值计算中用来描述和预测大气系统的软解方案、数据输入和输出等模
块。
数值模式广泛应用于天气预报、气候模拟和环境评估等领域。
03
数值模式的误差和不确定性
数值模式的误差主要来源于模式分辨率、物理过 程参数化和初始条件等方面。
不确定性主要表现在模式输入数据的误差、模式 本身的不完善以及计算误差等方面。
为了减小误差和不确定性，需要不断提高数值模 式的精度和可信度。
数值模式的未来发展和挑战
随着计算机技术的不断发展，数值模式的分辨率和计算能力将得到进一步 提高。
未来数值模式将更加注重物理过程参数化的改进和精细化，以更准确地模 拟和预测大气系统的行为。
同时，随着大数据和人工智能技术的发展，如何利用这些技术提高数值模 式的精度和效率也是未来发展的重要方向。
航空气象服务
提供航空气象预报、机场天气预报、航空气象观测和报 告等服务，保障航空安全。
航海气象服务
提供航海气象预报、海洋气象观测和报告等服务，保障 航海安全。
THANK YOU
感谢各位观看
03
大气的运动和变化
大气的热力和动力学过程
总结词
描述大气中热力和动力学过程对大气的运动和变化的影响。
详细描述
大气的热力和动力学过程是大气运动和变化的主要驱动力。这些过程包括温度 差异引起的对流、风速差异引起的湍流等。这些过程通过能量传递和物质迁移 等方式，影响大气的运动和变化。
大气中的波动和涡旋
动力气象学概要课件
目录
• 动力气象学简介 • 大气的基本结构和特性 • 大气的运动和变化 • 动力气象学的数值模拟和预测 • 动力气象学的应用和实践
01
动力气象学简介
《动力气象》课件
动力气象的应用案例
航空航天
动力气象在航空航天领域的天 气预报和飞行安全中发挥着重 要作用。
能源
动力气象用于可再生能源的规 划、风能、太阳能等的资源评 估和利用。
气候研究
动力气象帮助科学家了解和预 测气候变化，为应对气候变化 提供依据。
动力气象的基本原理
1 气象要素与动力学关系
了解气象要素与动力过程的基本概念，掌握气象要素对动力过程的影响。
常用的动力气象指标
1 风场和涡度指标
通过分析风场和涡度数 据，可以了解大气的运 动和湍流现象。
2 温度和湿度指标
温度和湿度是描述大气 状态的重要指标，对动 力气象有着重要影响。
3 大气层结指标
大气层结的变化对于气 象现象的发生和发展具 有重要意义。
动力气象预报技术
1
数值模式和动力模拟
运用数值模式和动力模拟进行天气的预测和模拟，提高预报准确性。
2
数据分析和观测技术
通过数据分析和观测技术获取气象数据，为预报提供可靠的基础。
3
预报系统的评估和改进
对预报系统进行评估和改进，不断提高预报技术和准确性。
《动力气象》PPT课件
动力气象是研究大气运动和天气现象相互关系的跨学科领域。本课件将深入 探讨动力气象的概念、原理、指标、预报技术与应用案例，帮助您全面了解 这一重要领域。
主题背景介绍
概念与重要性
动力气象研究大气运动和天气现象之间的关 系，对于天气预报、气候变化等具有重要意 义。
应用领域
动力气象在航空航天、能源、气候研究等领 域有广泛应用，对社会经济发展具有重要影 响。
动力气象学第一章
e.g. ENSO发生，美洲气候发生异常：
海温升高，对流加强，释放潜热 1979年英国Hoskines 大圆理论
e.g. 夏季青藏高原热 源异常影响
4.非线性大气动力学 气象中的一些突变现象
9年，美国的恰尼，多平衡理论（大气在 同一状况下有几个平衡态）用以解释“副高 北跳”，“大气环流6月、10月突变”现象。
（2）～20世纪30年代
1904年建立了旋转大气运动方程组。 欧洲学术发展兴盛：卑尔根学派（皮叶 克尼斯1920年――锋面学说）
（3）～20世纪60年代 动力气象迅速发展的时期 背景：二战爆发后，海陆空军参战，由于 战争的需要，建立了高空观测网，气象要素 发展为三维系统（＋时间～四维） 高空500hPa图的最主要特点：波动（时间 上，空间上） 美国学术发展兴盛：芝加哥大学Rossby―― 动力气象学之鼻祖 1939年，他提出了长波学说，称此波为大气 长波或Rossby波。 气象中最主要的理论：波动理论
二、发展简介
气象学是一门古老的学科：
人们一直试图去解释天气、预测天气
大气是一个物理系统，
近代动力气象学发展的推动力：
1、各种观测仪器的发明，通过观测大气，对 观测现象的发现。 2、物理学、数学等基础学科的发展。
(1)19世纪20年代～20世纪20年代
19世纪20年代之后，开始有了近代气象 学——1820年Brandes绘制了第一张天气 图，用外推法预测高低压的移动 形成了地面天气图，开创近代天气分析 和天气预报方法。
两个重要特点：
地球半径ａ≈6000km 与大尺度系统尺度近似 地球的自转重要 → 旋转流体力学 在旋转坐标系下考虑流体运动，与一般流体 运动差别很大 气象系统的垂直厚度Ｄ～104m 很扁平的一层 ∴是准水平 → 大尺度大气运动
动力气象学第1章.ppt
参 考 书 目： 20、吕克利等，动力气象学，南京大学出版社,
1996 21、伍荣生，大气动力学（修订版），高等教育
出版社，2002 22、HOLTON J. R. AN INTRODUCTION TO
DYNAMIC METEOROLOGY, Academic Press,
Fourth Version, 2004 23、李国平，新编动力气象学，气象出版社，
15、Gill，大气-海洋动力学，海洋出版社，1988 16、叶笃正，李崇银，王必魁，动力气象学，科 学出版社，1988。 17、吕美仲，彭永清，动力气象学教程，气象出 版社，1990 18、巢纪平，厄尔尼诺和南方涛动动力学，气象 出版社，1993 19、余志豪，杨大升等，地球物理流体动力学， 气象出版社，1996
1985 12、Pedlosky, J., Geophysical Fluid Dynamics,
Springer-Verlag, 2nd ed, 1987
参 考 书 目：
13、陈秋士，天气和次天气尺度系统动力学，科 学出版社，1987
1 4 、 Hoskins 等 ， 大 气 中 大 尺 度 动 力 过 程 ， 气 象 出版社，1987
1835年提出科里奥利力的概念，1857年白贝罗建立了 风压场关系的经验定律，成为地球大气动力学和天气 分析的基石。
动力气象学起源于北欧。
1897年，V.皮耶克尼斯建立了旋转地球大气中的环流 理论；1904年V.皮耶克尼斯以力学和物理学的观点， 建立了描写旋转地球大气运动方程组.
在1920年前后，V.皮耶克尼斯和J.皮耶克尼斯概括了 温带气旋生命史，提出了极锋气旋学说，形成了挪威 (卑尔根)学派。
1981
参 考 书 目： 7、Pedlosky，地球物理流体动力学导论，海洋出
动力气象学
研究成果
研究成果
过去动力气象学研究的主要对象以及所取得的重要成果，着重在中、高纬度的大尺度运动方面。随着观测工 具的进步（如气象雷达、气象卫星和观测资料的丰富，天气学又对中小尺度天气系统和热带大气运动等揭露了很 多新的现象。相应地，动力气象学在研究中小尺度运动、热带大尺度运动以及平流层大气运动等方面也取得了新 的成果（见热带气象学），其中如台风发展的动力学研究，热带罗斯比-重力混合波的动力学研究等。当前，随着 对全球大气环流和气候的形成及其变化的研究，动力气象学研究的对象已不只局限于大气本身，而需要把发生在 海洋和陆地中的过程统一起来考虑了。
动力气象学
气象学分支
01
03 发展简史
目录
02 简介 04 学科分支
05 研究特点
07 相关学科
目录
06 用物理学定律研究大气运动的动力和热力过程，以及它们相互关系，从理论上探讨大气环流、 天气系统和其他大气运动演变规律的学科。它是大气科学的一个分支。空气是一种流体，如果说流体力学研究的 是流体运动的一般规律，那么动力气象学研究的则是发生在自转地球上、并且密度随高度递减的空气流体运动的 特殊规律。从这个意义上说，它又是流体力学的一个分支。
相关学科
相关学科
大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物 理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大 气电学、平流层大气物理学、大气声学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气 象学、森林气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染 气象学
相关书籍如果研究的是大尺度的大气运动，则需要引进一个与地球自转有关的科里奥利力，在这个力的作用 下，使一般流体力学中的，在梯度压力作用下，流体自高压向低压运动的现象，发生了根本的改变：在北半球使 原来从高气压向低气压运动的空气向右偏转到接近与等压线平行的方向，若观察者顺风而立，高压在其右侧，低 压在其左侧，在南半球则相反。
动力气象学--描写大气运动的基本方程组 ppt课件
流体质p量pt课件的流出流入量
32
六、状态方程（热力学方程）
理想气体：
是干空气比气体常数，287J·K-1kg-1
ppt课件
33
七、热力学第一定律（热流量方程）
能量守恒定律：
单位质量气团外界加热率 ＝内能变化率＋气团膨胀反抗压力作功率
ppt课件
34
另外一种常用表达： →
A: 热功当量
ppt课件
Basic Equations
第二章 描写大气运动的基本方程组
一切天气现象都与大气运动相关，
尽管大气运动很复杂，但始终要遵循一 定的物理定律（fundamental physical laws）。这些物理定律的数学表达式就 构成了研究大气运动具体规律的基本方 程组。
ppt课件
1
一、地球与大气的基本特征
i
j
2 V 2 0 cos
uv
k sin w
cos sin 0 sin 0 cos
2(i
j
k
)
v
w
uw
uv
i (2 cos w 2 sin v) j (2 sin u) k (2 cos u)
i (
~fw
fv)
j (
fu)
k (
~பைடு நூலகம்u)
其中: ~f 2 cos , f 2 sin ; 7.292105 s
在地球上观测大气运动，是“相对 运动”，观测者与地球一起旋转，感觉 不到地球自转。
ppt课件
12
2. 坐标系
为了确定物体位置和描述物体运动，应采 用适当的坐标系。根据观测方式的不同，坐标系 分为：
• 惯性坐标系：原点位于地球中心，坐标轴方向相 对于太阳是固定的坐标系。惯性坐标系下，可以 看到大气随地球一起旋转，是“绝对运动”；
第一章绪论
四、主要参考书
杨大、刘金滨：《动力气象学》，1980，气象出版社； 刘式适、刘式达：《大气动力学》（上、下），1991，
北京大学出版社； 伍荣生等：《动力气象学》，1983，上海科学技术出
版社；1990，大气动力学，气象出版社； 吕克利等：《动力气象学》，1996，南京大学出版社； 霍尔硕，《动力气象学引论》，1980，科学出版社； 缪锦海等，《动力气象学》，1992，气象出版社。
例如：西风带中的长波具有准水平、准地 转平衡性质，它对天气影响的范围较广； 而强烈的局地风暴是一种小尺度强对流运 动，它是非静力平衡的，垂直上升运动很 强，虽然影响范围不大，但是造成的天气 灾害严重。
不同尺度的运动系统之间存在着相互 作用。
小尺度运动系统往往是在大尺度运 动系统的背景下发生发展起来的；反过 来它又对大尺度运动系统的发展和变化 产生反馈作用。
例如，在低纬的条件不稳定大气中，热 带扰动促使了有组织的中小尺度积云对 流的发展，这种有组织的积云对流释放 的潜热又反过来促进了热带扰动的发展。
本课程研究的对象：大尺度大气运动
大尺度运动的两个重要特点： 要考虑地球的自转运动——考虑柯氏力作用 考虑地球大气受到重力场的作用——准水平运
动
总结：研究对象是，考虑地球自转的，准水 平运动的大气中发生的，大尺度的大气运动 过程。
对气象学涉及的运动系统来讲，按水平尺度 的大小可以划分为几类尺度的运动系统。
经验划分： 大尺度：106m;105s 例如：气旋，反气旋 中尺度：105m;104s 例如：暴雨系统 小尺度：104m;103s 例如：雷暴单体，龙卷 微尺度： 小于40m 例如：抽吸性的涡旋
不同尺度的运动系统具有不同的动力 学特性。不同尺度运动系统性质差异，对 天气的影响也不同。
《动力气象学》课程辅导资料
《动⼒⽓象学》课程辅导资料《动⼒⽓象学》课程辅导资料知识点归纳总结第⼀章绪论1. 研究地球⼤⽓运动时的基本假设连续介质假设：研究⼤⽓的宏观运动时，不考虑离散分⼦的结构，把⼤⽓视为连续流体。
从⽽，表征⼤⽓运动状态和热⼒状态的各种物理量，例如⼤⽓运动的速度、⽓压、密度和温度等可认为是空间和时间的连续函数，并且经常假设这些场变量的各阶微商也是空间和事件的连续函数。
是研究⼤⽓运动的基本出发点。
理想⽓体假设：⽓压、密度、温度之间的关系满⾜理想⽓体状态⽅程。
2. 地球⼤⽓的运动学和热⼒学特性有哪些？⼤⽓是重⼒场中的旋转流体：⼤⽓运动⼀定是准⽔平的；静⼒平衡是⼤⽓运动的重要性质之⼀。
科⾥奥利⼒的作⽤：⼤尺度运动中科⾥奥利⼒作⽤很重要；中纬度⼤尺度运动中，科⾥奥利⼒与⽔平⽓压梯度⼒基本上相平衡——地转平衡；地球旋转⾓速度随纬度的变化，与每⽇天⽓图上的西风带中的波动有关；起稳定性作⽤——位能、动能的转换——锋⾯。
⼤⽓是层结流体：⼤⽓的密度随⾼度是改变的——层结稳定度；不稳定层结⼤⽓中积云对流；稳定层结⼤⽓中重⼒内波。
⼤⽓中含有⽔份：相变潜热——低纬度扰动和台风的发展。
⼤⽓的下边界是不均匀的：湍流性；海陆分布和⼤⽓环流。
3. ⼤⽓运动的多尺度性⼤⽓运动⽆论在时间尺度还是在⽔平尺度上都具有很宽的尺度谱，不同尺度系统在性质上有很⼤差异，对天⽓的影响也不同，不同尺度运动系统之间还存在相互作⽤。
⽽根据流体⼒学和热⼒学原理建⽴起来的⼤⽓运动⽅程组，表征了⼤⽓运动普遍规律，从物理上讲，它⼏乎描述了各种尺度运动和它们之间的相互作⽤，⽅程组是⾼度⾮线性的，难以求解。
因此，在动⼒⽓象中，常对各种运动系统进⾏尺度分类，利⽤尺度分析法分析各类运动系统的⼀般性质，建⽴各类运动系统的物理模型（第三章）。
第⼆章描写⼤⽓运动的基本⽅程组1. 作⽤于⼤⽓的⼒，哪些是真实⼒，哪些是视⽰⼒？真实⼒：⽓压梯度⼒、地球引⼒、摩擦⼒，既改变⽓流的运动⽅向，也改变速度的⼤⼩视⽰⼒：科⾥奥利⼒、惯性离⼼⼒，只改变⽓流的运动⽅向，不改变速度的⼤⼩2. 描述⼤⽓运动的基本⽅程组和各⾃遵守的物理原理⽜顿第⼆定律——运动⽅程质量守恒定律——连续⽅程理想⽓体实验定律——状态⽅程能量守恒定律——热⼒学能量⽅程⽔⽓质量守恒——⽔汽质量守恒⽅程3. 分析流体运动的两种基本⽅法拉格朗⽇⽅法：着眼于微团，研究其空间位置及其他物理属性随时间变化的规律，推⼴到整个流体运动。
《动力气象学》教学课件-第三章 大气中的准地转运动 (1)
动力气象学
授课教师：张熠
大气在运动过程中,风场和气压场均在变化,但风场与气压场 基本维持地转平衡,此运动称为准地转运动.
500hPa
准地转运动中存在地转偏差 850hPa
为什么研究准地转运动？
• 数值天气预报的发展是20世纪大气科学的一个重要进展，这也是动力 气象学一个重要的应用成就。
• 1922年英国理查逊第一个对大气运动方程用差分法求解，尝试制作数 值天气预报。由于观测站网的密度和资料的精确度不够，用的又是完 全的原始方程组，加之所取的时间和空间的间距不合适，使计算出现 不稳定，导致预报试验失败，但它却为后来开展数值预报积累了经验。
速度的大小依赖于g, H, F, T，ΔT，L
上页（*）式推导：
∂ ∂z
v T
=
∂ ∂z
R f
∂
ln ∂x
p
=
∂ ∂x
R f
∂
ln ∂z
p
=
R f
∂ ∂x
1 p
∂p ∂z
=
R f
∂ ∂x
1
ρRT
(− ρg )
=− g ∂ (1) f ∂x T
=
g fT 2
∂T ∂x
Ro
=
V FL
=
gH
(FL)2
Vg
=
1 f
k × ∇φ
Va : 地转偏差
geostrophic ageostrophic
水平运动方程 地转平衡：
( ) d (Vg +Va ) dt
+
fk ×
Vg
+ Va
= −∇φ
fk ×Vg = −∇φ
地转偏差 演变过程
授课教师：张熠
大气在运动过程中,风场和气压场均在变化,但风场与气压场 基本维持地转平衡,此运动称为准地转运动.
500hPa
准地转运动中存在地转偏差 850hPa
为什么研究准地转运动？
• 数值天气预报的发展是20世纪大气科学的一个重要进展，这也是动力 气象学一个重要的应用成就。
• 1922年英国理查逊第一个对大气运动方程用差分法求解，尝试制作数 值天气预报。由于观测站网的密度和资料的精确度不够，用的又是完 全的原始方程组，加之所取的时间和空间的间距不合适，使计算出现 不稳定，导致预报试验失败，但它却为后来开展数值预报积累了经验。
速度的大小依赖于g, H, F, T，ΔT，L
上页（*）式推导：
∂ ∂z
v T
=
∂ ∂z
R f
∂
ln ∂x
p
=
∂ ∂x
R f
∂
ln ∂z
p
=
R f
∂ ∂x
1 p
∂p ∂z
=
R f
∂ ∂x
1
ρRT
(− ρg )
=− g ∂ (1) f ∂x T
=
g fT 2
∂T ∂x
Ro
=
V FL
=
gH
(FL)2
Vg
=
1 f
k × ∇φ
Va : 地转偏差
geostrophic ageostrophic
水平运动方程 地转平衡：
( ) d (Vg +Va ) dt
+
fk ×
Vg
+ Va
= −∇φ
fk ×Vg = −∇φ
地转偏差 演变过程
《动力气象学》教学课件-第一章 大气运动的基本方程
O
= Ω(Ω ⋅ R) − R ⋅ Ω2
∑ daVa = dt
i
Fi
∑
d aVa
=
dV
+
2Ω ×V
−
Ω2R
=
Fi
dt dt
i
相对加速度
=Q
其中，Cv是空气的定容比热。
（注：热流量方程有多种表达形式）
课后练习：推导热力学方程的几种表述形式
• 用气压、气温表示
Cp
dT dt
−α
dp dt
=
•
Q
• 用气压、密度表示
•
Cp d lnα + d ln p = Q
Cv dt
dt CvT
• 用位温表示
•
d lnθ = Q
dt CpT
对于理想气体，引入状态方程 p = ρ RT
ζ (z)
Ω
p
y
o
η
ξ
y x
x
惯性坐标系（下标a）：ζ为地轴，ξ、η固定在赤道平面上，不随地球旋转 旋转坐标系：z与ζ 一致，x、y轴固定在赤道平面上，随地球旋转
（二）惯性坐标系中的运动方程组
运动方程：
牛顿运动第二定律
( dVa dt
)a
=
∑ ( dVa
dt
)a
=
i
Fi
gm
−
1
ρ
∇pa
+
Fa
地心 气压梯 分子粘
引力 度力
性力
gm
=
−
GM r3
r
F
≡
γ∇2V
+
γ
∇(∇ ⋅V )
3
质量守恒
动力气象学-第一章(绪论)
1835年提出科里奥利力的概念， 1857年白贝罗建 立了风压场关系的经验定律，成为地球大气动力 学和天气分析的基石。
动力气象学起源于北欧。
1897年，V. 皮耶克尼斯建立了旋转地球大气中的 环流理论；1904年V. 皮耶克尼斯以力学和物理学 的观点，建立了描写旋转地球大气运动方程组。
在1920年前后，V. 皮耶克尼斯和J. 皮耶克尼斯概 括了温带气旋生命史，提出了极锋气旋学说，形 成了挪威(卑尔根)学派。
对热带大气运动的研究，提出了第二类条件不稳定 理论(恰尼，1964年)和波动型第二类条件不稳定理论 (斯蒂文斯和林赞，1978年)；提出了赤道波动理论
(松野，1966年)和积云对流参数化(郭晓岚，1965年)。 低纬大气行星波的活动，积云对流反馈，中低纬度 相互作用和海气相互作用，热带地区数值预报研究。
理想流体、可压流体——将大气视为可压
缩的连续流体，作为研究大气运动的基本 出发点，广泛运用流体力学和热力学原理 探讨大气运动的基本规律。
动力气象学与流体力学的关系
流体（Fluid） 流体力学（Fluid Mechanics）
地球物理流体动力学（Geophysical Fluid
Dynamics）
大气流体力学（Fluid Mechanics
动力气象
of Atomosphere）
动力气象学的研究步骤
数学基础：微积分、矢量分析、场论（欧拉
观点）、计算数学。 步骤：气象问题 模型 求解 物理模型 解释原问题。 数学
侧重于首尾两步。
2、动力气象学与其他课程的关系
与天气学的不同之处：
天气学：从观测资料出发，检验性的、总结天 气过程的发生、发展规律（主观） 动力学：从物理定理出发，从理论上揭示天气 过程的发生、发展规律和机理（客观） 关系：理论联系实际，相互渗透和交叉－天气 动力学。
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出版社，1991。
四、考核方式
平时成绩：20％ 期中测验：20％ 期末考试：60％
7
任课教师简介
• 简茂球，男，汉族，1965年11月生。广东阳江人。 • 1981/09－1985/07，北京大学地球物理系气象专业本科 • 1985/09－1988/07，北京大学地球物理系气象专业硕士 • 1999/09－2004/06，中山大学大气科学系气象专业博士 • 1997/07－1998/06，德国气候计算中心访问学者 研究方向：季风与海－气、陆－气相互作用；热带大气环 流与系统；大气水热收支；区域气候；全球变化与区域响 应
绪论
《动力气象学》 Dynamic Meteorology
绪论
1
一、学科的性质
1、大气科学：研究大气的各种现象、这些现象的
演变规律以及如何利用这些规律为人类服务的 科学。它包括：气候学、天气学、大气热力学、 大气动力学、数值天气预报、大气探测学等。
学科的性质：动力气象学是许多其他大气科学 分支学科的理论基础。它研究的是旋转地球上 大气运动的特殊规律。
2
大气科学
大 气 探 测
气 候 学
大 天气 气物 学理
学
大 气 动 力 学
大 气 热 力 学
数 值 天 气 预 报
大 气 化 学
大 气 环学习的重点
方法： 实际现象
假设、抽象
数学模型
重点：1）理论模型：引出的物理概念，基本原理， 以及大气运动的基本特征、性质、大气运动的机 制。 2）处理和解决问题的思维方法及数学方法。
8
国内学术交流、考察省份
9
国际学术交流访问的国家
10
悉尼歌剧院 莫斯科大学
新喀里多尼亚
韩国
11
瑞士－201307
12
三、参考书：
1、贺海晏等，《动力气象学》，气象出版社，2010。
6
2、杨大升等，《动力气象学》（修订版），气象出版社， 1983。
3、 J. R. Holton, 《An Introduction to Dynamic Meteorology》，2004。
4、吕美仲等，《动力气象学》，气象出版社，2005。 5、 刘式适等，《大气动力学》（上）、（下），北京大学
四、考核方式
平时成绩：20％ 期中测验：20％ 期末考试：60％
7
任课教师简介
• 简茂球，男，汉族，1965年11月生。广东阳江人。 • 1981/09－1985/07，北京大学地球物理系气象专业本科 • 1985/09－1988/07，北京大学地球物理系气象专业硕士 • 1999/09－2004/06，中山大学大气科学系气象专业博士 • 1997/07－1998/06，德国气候计算中心访问学者 研究方向：季风与海－气、陆－气相互作用；热带大气环 流与系统；大气水热收支；区域气候；全球变化与区域响 应
绪论
《动力气象学》 Dynamic Meteorology
绪论
1
一、学科的性质
1、大气科学：研究大气的各种现象、这些现象的
演变规律以及如何利用这些规律为人类服务的 科学。它包括：气候学、天气学、大气热力学、 大气动力学、数值天气预报、大气探测学等。
学科的性质：动力气象学是许多其他大气科学 分支学科的理论基础。它研究的是旋转地球上 大气运动的特殊规律。
2
大气科学
大 气 探 测
气 候 学
大 天气 气物 学理
学
大 气 动 力 学
大 气 热 力 学
数 值 天 气 预 报
大 气 化 学
大 气 环学习的重点
方法： 实际现象
假设、抽象
数学模型
重点：1）理论模型：引出的物理概念，基本原理， 以及大气运动的基本特征、性质、大气运动的机 制。 2）处理和解决问题的思维方法及数学方法。
8
国内学术交流、考察省份
9
国际学术交流访问的国家
10
悉尼歌剧院 莫斯科大学
新喀里多尼亚
韩国
11
瑞士－201307
12
三、参考书：
1、贺海晏等，《动力气象学》，气象出版社，2010。
6
2、杨大升等，《动力气象学》（修订版），气象出版社， 1983。
3、 J. R. Holton, 《An Introduction to Dynamic Meteorology》，2004。
4、吕美仲等，《动力气象学》，气象出版社，2005。 5、 刘式适等，《大气动力学》（上）、（下），北京大学